Degradaci
´
on de la respuesta en frecuencia de
fotodiodos en mediciones de se
˜
nales
´
opticas
intensas
Gast
´
on Arrigo
∗
, Patricio Sorichetti
∗
y Eduardo Acosta
∗ 1
∗
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOMAE)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
1
eacosta@fi.uba.ar
Abstract—In this paper, we present measurements that
reveal changes in the frequency response of a PIN-type
photodetector with the increase of the intensity of the light
reaching the detector. In particular, two effects are observed
at high illumination levels: the bandwidth of the detector
decreases and the phase response is modified. For low
intensities the bandwidth follows a power law with exponent
-1 with the average current of the photodetector, but at high
illumination the exponent tends to -0.5.
Resumen— En este trabajo se presentan mediciones
que revelan cambios en la respuesta en frecuencia de un
fotodetector tipo PIN debida al cambio en la intensidad de la
luz que llega al detector. En particular, se observan dos efectos
a altos niveles de iluminaci
´
on: el ancho de banda del detector
disminuye y se modifica su respuesta de fase. Para bajas
intensidades el ancho de banda sigue una ley de potencias
con exponente -1 con la corriente media del fotodetector, pero
en alta iluminaci
´
on el exponente tiende a -0,5.
I. INTRODUCCI
´
ON
Actualmente existen numerosas publicaciones que des-
criben la construcci
´
on y caracter
´
ısticas de funcionamiento
de fotodetectores en el r
´
egimen de detecci
´
on de peque
˜
nas
se
˜
nales
´
opticas, as
´
ı como tambi
´
en sobre el dise
˜
no de de-
tectores para se
˜
nales
´
opticas con modulaci
´
on digital o para
modulaci
´
on de intensidad de alto
´
ındice (mayor al 30%)
[1], [2]. Sin embargo, no abunda la bibliograf
´
ıa que facilite
la implementaci
´
on de fotodetectores en aplicaciones que
involucren r
´
apidos pero peque
˜
nos cambios de amplitud de
una se
˜
nal
´
optica de elevada potencia media [3]. Tal es el caso
de la detecci
´
on de se
˜
nales
´
opticas moduladas en amplitud,
con baja profundidad de modulaci
´
on y gran ancho de banda,
como cuando se estudian fluctuaciones en l
´
aseres de poten-
cia, control de distorsi
´
on en enlaces multicanales anal
´
ogicos
de fibra
´
optica (bajo condiciones de carga variable) [4] y
sistemas electro
´
opticos de medici
´
on [5], [6].
Los dispositivos cu
´
anticos con ganancia intr
´
ınseca como
los fotomultiplicadores y los fotodiodos de avalancha se
utilizan generalmente en aplicaciones de conteo de fotones o
bien cuando se desea detectar una se
˜
nal
´
optica d
´
ebil, ya que
su dise
˜
no est
´
a optimizado para trabajar con niveles bajos de
radiaci
´
on incidente.
Los fabricantes suelen especificar la m
´
axima intensidad
´
optica de entrada S
MAX
(en W/m
2
) para que el dispositivo
funcione linealmente, el tiempo de trepada (rise time) y de
ca
´
ıda (fall time) medidos con pulsos
´
opticos de bajo nivel
(cuya intensidad es bastante inferior al l
´
ımite de linealidad).
Sin embargo la respuesta en frecuencia para los distintos
valores de intensidad
´
optica no es informada.
Si la se
˜
nal
´
optica es inferior a S
MAX
, los portadores
generados en la juntura son transportados por el campo
el
´
ectrico en la zona intr
´
ınseca con un tiempo de tr
´
ansito
caracter
´
ıstico independiente de la intensidad
´
optica S y la
corriente entregada I es proporcional a esta. Al aumentar
el nivel de intensidad
´
optica (S > S
MAX
), las densidad
de portadores libres aumenta y, si S es lo suficientemente
grande el campo el
´
ectrico en la juntura del fotodiodo PIN
deja de ser uniforme; en esta condici
´
on, los portadores de
carga se acumulan en las zonas no desiertas generando
una ca
´
ıda de potencial opuesta a la tensi
´
on de polarizaci
´
on
y provocando una disminuci
´
on del campo el
´
ectrico con
el consecuente incremento en los tiempos de arrastre de
portadores. Esto tiene como resultado una degradaci
´
on de
la respuesta en frecuencia y por lo tanto una disminuci
´
on
en el ancho de banda del dispositivo [7]. Se ha demostrado,
mediante mediciones experimentales y simulaciones, que
niveles de intensidad a
´
un mayores no s
´
olo afectan el tiempo
de respuesta sino tambi
´
en la linealidad del diodo. Para evitar
estos efectos se ha propuesto construir otras arquitecturas,
tales como fotodetectores distribuidos en una gu
´
ıa de onda
(traveling-wave photodetector, TWPD) y los fotodiodos
iluminados en superficie (surface illuminated photodiode,
SIPD) [8] [9].
Los diferentes tipos de fotodetectores de alta frecuencia,
aptos para se
˜
nales de alta potencia, presentan variaciones de
la frecuencia de corte en funci
´
on de la corriente media. La
relaci
´
on entre la corriente media I
med
(normalizada respecto
a la corriente de saturaci
´
on I
sat
) con la frecuencia de corte
f
3dB
sigue la forma:
f
3bB
∼ (I
med
/I
sat
)
−α
(1)
donde el valor de α depende del tipo de fotodetector,
α = 1 corresponde a fotodetectores TWPD
´
o α = 0, 5 para
fotodiodos SIPD [10].
En muchos trabajos de procesamiento de se
˜
nales suponen
que el detector es ideal y en particular no se tiene en cuenta
la variaci
´
on del ancho de banda del detector con el nivel
medio de la se
˜
nal de entrada.
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en la
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Recibido: 10/07/17; Aceptado: 11/11/17
caracterizaci
´
on de un fotodiodo PIN comercial en funci
´
on
de la intensidad de luz media S
med
y para un rango de
frecuencias de modulaci
´
on de la portadora
´
optica entre 1kHz
y 10MHz.
Se describe primero la caracterizaci
´
on de la fuente lumi-
nosa con modulaci
´
on arm
´
onica y luego los experimentos de
caracterizaci
´
on del fotodiodo. Al final se discute las dificul-
tades en la recuperaci
´
on de se
˜
nales con forma arbitraria que
introduce la alinealidad por cambios en la intensidad media
de la luz.
II. PARTE EXPERIMENTAL
A. Dispositivo emisor
Como fuente de referencia, se utiliz
´
o un m
´
odulo l
´
aser
de 3mW (670nm) marca Global Laser modelo 1060-42-000
(RS 194-004). Este dispositivo permite modular la intensi-
dad lum
´
ınica empleando se
˜
nales anal
´
ogicas con frecuencias
de 100Hz hasta 50MHz. El mismo fue alimentado con una
fuente ad-hoc dise
˜
nada y construida en el laboratorio.
Se utiliz
´
o un generador de se
˜
nal anal
´
ogico GW Instek
SFG-830 conectado a la entrada de 50Ω del m
´
odulo l
´
aser
para producir se
˜
nales
´
opticas con una profundidad de modu-
laci
´
on del 2%.
Para la caracterizaci
´
on de la respuesta en frecuencia del
m
´
odulo l
´
aser se mont
´
o el sistema de la Figura 1. La se
˜
nal
´
optica producida por el l
´
aser atraviesa un arreglo
´
optico de
lente y atenuador antes de llegar al detector.
El detector empleado (Thorlabs modelo PDA155) consta
de un fotodetector de silicio de alta velocidad seguido de una
etapa amplificadora, con ancho de banda de 50MHz y una
salida m
´
axima de 5V. Este dispositivo se presenta como un
m
´
odulo cerrado con alimentaci
´
on externa y una salida tipo
BNC para el monitoreo de la se
˜
nal. De acuerdo a su hoja
de datos, si utiliz
´
aramos la luz del l
´
aser sin atenuar (3mW)
obtendr
´
ıamos a la salida del mismo una tensi
´
on superior a la
admitida por el dispositivo; esto nos advierte que estar
´
ıamos
trabajando con un nivel superior al soportado que podr
´
ıa
da
˜
narlo de forma permanente. Hay que considerar que el
ancho de banda especificado por el fabricante es de 50MHz
y corresponde a una se
˜
nal de luz que produce una salida
media de 200mV con una modulaci
´
on del 100%.
Los atenuadores empleados fueron construidos a partir de
placas de acr
´
ılico de distinto espesor y color. Se determin
´
o
experimentalmente que las atenuaciones del conjunto de
filtros empleados fueron 3,6dB; 7,3dB; 14,5dB; 25,5dB;
29dB y 38dB.
Fig. 1. Disposici
´
on de elementos para la caracterizaci
´
on del m
´
odulo l
´
aser
Se emple
´
o un osciloscopio Tektronik TDS210 para deter-
minar la transferencia del sistema, definida como la relaci
´
on
entre las tensiones de pico del PDA155 y la se
˜
nal del
generador. Los resultados se presentan en la Figura 2.
A fin de caracterizar el comportamiento del m
´
odulo l
´
aser
se us
´
o el filtro de 38dB de modo que la se
˜
nal pueda medir
con comodidad pero sin salir del rango de se
˜
nales peque
˜
nas
especificado por el fabricante (S < S
MAX
).
Fig. 2. M
´
odulo de la transferencia para el PDA155 para diferentes
intensidades medias.
En la Figura 2 se representa la respuesta relativa de
amplitud (referida a 1KHz) en dB. Para la se
˜
nal de menor
intensidad (con el filtro de 29dB) el PDA155 se comporta
seg
´
un las especificaciones del fabricante. Al aumentar la
intensidad se observa una dependencia mas compleja con
la frecuencia con apartamientos que llegan hasta ±2dB
restringiendo el uso de este dispositivo en aplicaciones de
metrolog
´
ıa.
B. Caracterizaci
´
on del fotodiodo
El fotodiodo caracterizado fue el BPW24R (Vishay), con
encapsulado TO-18 cubierto con una lente de vidrio, con
un rango espectral de 600nm a 1050nm, 50MHz de ancho
de banda (f
BW
= 1/(2πR
L
C
j
) ' 0, 35/t
rise
), 12
o
de
apertura,
´
area sensible de 0,78mm
2
y 3,2pF de capacidad
en condiciones de polarizaci
´
on inversa con 10V.
En la Figura 3 se muestra el circuito empleado para
caracterizar la respuesta en frecuencia del fotodiodo. El
filtro pasa bajos de tres etapas se incluye para atenuar las
altas frecuencias que pudieran ser inducidas por la fuente de
alimentaci
´
on. El terminal del c
´
atodo se conect
´
o directamente
a la salida BNC con el fin de medir la se
˜
nal de salida sin
ning
´
un tipo de amplificaci
´
on.
Fig. 3. Circuito con filtro y fotodiodo para la medici
´
on de la respuesta
en frecuencia
Para determinar la corriente entregada por el fotodiodo
I al cambiar la tensi
´
on inversa de polarizaci
´
on V y para
distintas S
med
, se us
´
o el arreglo experimental de la Figura
4. En este experimento se trabaj
´
o con el m
´
odulo l
´
aser sin
modular. La lente se emple
´
o para focalizar el haz del l
´
aser
sobre el fotodiodo. Una impedancia pasante de 50Ω nominal
fue conectada al mult
´
ımetro digital PROVA 803 para obtener
la corriente que produce el fotodiodo.
Revista elektron, Vol. 1, No. 2, pp. 75-78 (2017)
ISSN 2525-0159
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Fig. 4. Esquema del sistema de medici
´
on para caracterizaci
´
on de I versus
voltaje de polarizaci
´
on. El filtro
´
optico se cambia para lograr diferentes
S
med
.
Las curvas de I vs V para distintas S
med
se muestran en
la Figura 5. Cabe recordar que el fabricante ha especificado
al fotodiodo para una corriente de saturaci
´
on inversa de hasta
100µA y en el presente trabajo se lo ha utilizado con cor-
rientes m
´
aximas de alrededor de 1,20mA. Estos resultados
resultan
´
utiles para conocer los valores de corriente presentes
a la salida del fotodiodo, como as
´
ı tambi
´
en para asegurar
que el modelo de continua del fotodiodo es v
´
alido a
´
un fuera
del
´
area de especificaci
´
on del fabricante.
Fig. 5. Curvas de corriente de salida en funci
´
on de la tensi
´
on de
polarizaci
´
on inversa para diferentes intensidades medias de iluminaci
´
on
´
optica
La respuesta din
´
amica de los fotodiodos en funci
´
on de
la intensidad luminosa media fue estudiada empleando el
arreglo de la Figura 6. La profundidad de modulaci
´
on
fue de 1/50; cambiando la frecuencia de modulaci
´
on y el
valor de S. Para adaptar las impedancias se emplearon dos
cargas pasantes externas de 50Ω de amplio ancho de banda.
Todas las mediciones fueron realizadas sin ning
´
un tipo de
amplificaci
´
on externa al fotodiodo.
Fig. 6. Esquema del sistema de medici
´
on para determinar la respuesta
din
´
amica
Los resultados obtenidos se presentan en las Figuras 7 y
8, donde se observa la funci
´
on transferencia del dispositivo,
definida como la relaci
´
on entre las tensiones de pico de
la se
˜
nal del generador y del circuito de fotodetecci
´
on, en
m
´
odulo y en fase respectivamente. En ambas figuras se
puede apreciar una fuerte dependencia del m
´
odulo y la
fase con la frecuencia al aumentar S. Es de notar que
la frecuencia en la cual aparece alinealidad en la fase es
aproximadamente 1/10f
3dB
, donde f
3dB
es la frecuencia
de corte del m
´
odulo.
Fig. 7. Respuesta en frecuencia del BPW24R en m
´
odulo
Fig. 8. Respuesta en frecuencia del BPW24R en fase
C. An
´
alisis
Como se muestra en la Figura 7, para S elevadas se
manifiesta una distorsi
´
on en la fase a frecuencias de
´
ordenes
de magnitud menor que la de corte, provocando una defor-
maci
´
on de la se
˜
nal. Como se mencion
´
o anteriormente, este
resultado se debe a que en alta iluminaci
´
on los efectos de
la carga espacial perturban el campo el
´
ectrico en la juntura,
induciendo una respuesta no lineal.
En la Figura 8 se grafica la dependencia de la corriente
de diodo (o saturaci
´
on) en funci
´
on de la frecuencia de
corte (en -3dB) para el fotodiodo estudiado. A modo de
referencia, se agregaron l
´
ıneas de tendencia que indican
la proporcionalidad a las cuales se aproximan y, con el
fin de comparar el comportamiento observado con otras
tecnolog
´
ıas, se incluyeron dos curvas adicionales que corres-
ponden a fotodiodos PIN de superficie iluminada (SIPD) y
fotodiodos de onda viajera (TWPD). Es importante men-
cionar que estas curvas adicionales se trazaron con datos
extrapolados de estudios realizados sobre fotodetectores de
alta frecuencia y alta intensidad [10]. Con el objetivo de
poder comparar los resultados en una
´
unica escala, los datos
de corriente y frecuencia fueron normalizados a la m
´
axima
frecuencia y corriente de cada caso. En el gr
´
afico se observa
que el fotodiodo BPW24R posee dos regiones diferenciadas
seg
´
un la dependencia en su frecuencia de corte, las cuales
responden en forma aproximada a las proporcionalidades
anteriormente mencionadas. Sin embargo, es importante
notar que el fotodiodo cambia dicha dependencia en funci
´
on
de S
med
.
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Fig. 9. Dependencia de la corriente de diodo respecto de la frecuencia de
corte (−3dB) para el BPW24R, para diferentes intensidades medias
Todo dispositivo detector
´
optico se compone de dos
partes: el transductor
´
optico con la electr
´
onica de pola-
rizaci
´
on, y la etapa de amplificaci
´
on con la adaptaci
´
on
de impedancias adecuada. Un dise
˜
no es correcto cuando
las limitaciones del dispositivo detector vienen dadas
´
unicamente por los aspectos constructivos y procesos f
´
ısicos
inherentes al fotodetector.
Estos efectos deben ser tenidos en cuenta si se quiere
reconstruir una se
˜
nal luminosa arbitraria. Una opci
´
on posible
para recuperar la se
˜
nal es utilizar un filtro digital cuya
respuesta impulsiva sea similar a la obtenida del sistema
pero invertida en tiempo. Esta inversi
´
on en tiempo resulta
en una respuesta en frecuencia equivalente, pero posee la
ventaja que revierte la respuesta en fase, cancelando por lo
tanto la distorsi
´
on mencionada.
III. CONCLUSI
´
ON
La mayor
´
ıa de los dispositivos de detecci
´
on de se
˜
nales
´
opticas comerciales est
´
an caracterizados en condiciones de
iluminaci
´
on de baja intensidad, por lo que se hace dif
´
ıcil
extrapolar su comportamiento en aplicaciones de alta inten-
sidad sin un proceso experimental.
En este trabajo se muestra el comportamiento del foto-
diodo PIN (BPW24R) al emplearlo en diferentes intensi-
dades de luz. Se muestra que, si no se dise
˜
na un filtro
digital espec
´
ıfico, existe una limitaci
´
on para la recuperaci
´
on
de se
˜
nales arbitrarias, ya que al superar un cierto valor de
intensidad media, se presenta una distorsi
´
on en m
´
odulo (por
encima de la f
3dB
) y en fase (por encima de 1/10f
3dB
).
Al trabajar con altas intensidades de luz, cualquiera sea el
experimento o estudio que se desee realizar, ser
´
a sumamente
importante hacer un an
´
alisis experimental del dispositivo
detector a utilizar, sea este un producto comercial o un
desarrollo ad-hoc armado en laboratorio para tal fin, con el
objetivo de evidenciar su comportamiento y poder decidir
si
´
este ser
´
a
´
util en las condiciones experimentales de la
aplicaci
´
on.
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ISSN 2525-0159
78
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